Pomysł wykorzystania fal Hertza (jak kiedyś nazywano fale radiowe) do śledzenia poruszających się obiektów jest niewiele młodszy niż sama komunikacja radiowa. Dziewięć lat po pierwszych eksperymentach Marconiego i Popowa przyszło do głowy 22-letniemu Christianowi Hülsmeyerowi, pracownikowi Siemensa z Düsseldorfu. Nie miał wykształcenia technicznego, ale był bardzo zainteresowany innowacjami elektrycznymi, w szczególności sprzętem radiowym. W 1904 zbudował, przetestował i opatentował urządzenie, które nazwał telemobiloskopem. Według zgłoszenia patentowego było to „urządzenie, które emituje i odbiera fale Hertza i jest zaprojektowane do wykrywania na ich drodze ciała metalicznego, takiego jak pociąg lub statek, i ostrzegania o jego pojawieniu się”. 17 lub 18 maja Hülsmeyer zaprezentował go po raz pierwszy publicznie w Kolonii na moście na Renie. W demonstracji wzięli udział przedstawiciele firm żeglugowych, dziennikarze oraz liczni obserwatorzy. Gazety europejskie i amerykańskie bezzwłocznie doniosły o tym spektakularnym eksperymencie.
Aparat Hülsmeyera składał się z generatora iskier fal radiowych, anteny promieniującej z metalowym reflektorem skupiającym, anteny odbiorczej z innym reflektorem oraz koherera jako odbiornika. Za pomocą dzwonka elektrycznego ogłosił zbliżanie się parowców rzecznych. Urządzenie nawet w przybliżeniu wskazywało kierunek obiektu, ale oczywiście nie było w stanie określić jego odległości i prędkości. Ściśle mówiąc, nie był to radar, a jedynie detektor radiowy.
Pierwsza brytyjska sieć radarowa w niczym nie przypominała nowoczesnych radarów. W ogóle nie było zwykłych anten obrotowych (pojawiły się później). Impulsy 13,6-metrowych fal radiowych o długości 20 mikrosekund w 40-milisekundowych odstępach były emitowane przez anteny kablowe zawieszone na 110-metrowych stalowych wieżach kratowych (po cztery na każdą stację). Anteny odbiorcze zostały zamontowane na 70-metrowych drewnianych wieżach znajdujących się w pewnej odległości (aby uniknąć zakłóceń). Początkowo moc każdego nadajnika wynosiła 350 kW, później zwiększono ją do 750 kW. Stacje rozmieszczone były wzdłuż wybrzeża w łańcuchu, który dał nazwę całemu systemowi – Chain Home. Na dzisiejsze standardy jego rozdzielczość była śmieszna - około 3 km, a poza tym radary praktycznie nie zauważyły nisko latających obiektów. Jednak przy dobrej pogodzie wykryli armady lotnicze Goeringa już na niebie nad Francją, co zapewniło brytyjskiej obronie powietrznej 20-minutowe ostrzeżenie. W tych okolicznościach miało to ogromne znaczenie. Podczas trzymiesięcznej Bitwy o Anglię Niemcy stracili prawie połowę swoich samolotów bojowych – 1882 z 4074. I choć łączne straty Królewskich Sił Powietrznych były tylko nieznacznie mniejsze (1547 samolotów), Niemcy stracili znacznie większe liczba pilotów (544 pilotów angielskich na ponad 3500 zabitych i wziętych do niewoli Niemców). W przyszłości aktywność niemieckich sił powietrznych w przestrzeni powietrznej Wielkiej Brytanii gwałtownie spadła i ostatecznie poszła na marne. Pomogła w tym nowa sieć radarowa Chain Home Low, która już wykorzystywała obrotowe anteny emitujące półtorametrowe fale radiowe. A od 1941 r. Na statkach królewskich pojawiły się radary działające na falach 50-centymetrowych flota. Bitwa o Anglię została wygrana, aczkolwiek bardzo wysokim kosztem.
Hülsmeyer zaproponował zainstalowanie takich urządzeń na statkach, aby zapobiec kolizjom w warunkach słabej widoczności. Później wymyślił nawet urządzenie do automatycznego szacowania odległości do obiektu na podstawie kąta nachylenia anteny odbiorczej, ale nigdy tego nie zrobił. A sam telemobiloskop nie działał długo. Ani armatorzy, ani marynarze floty kajzera nie byli nimi zainteresowani. Ogólna opinia była taka, że wystarczy sygnalizować zbliżanie się statków klaksonami i że aparat Hülsmeyera jest skomplikowany, mało niezawodny i praktycznie bezużyteczny. Nie pomogło nawet to, że podczas testów w Holandii urządzenie pokazało bardzo przyzwoity zasięg 3 km. Latem 1905 Telefunken również odmówił wsparcia wynalazcy, po czym położył kres jego pomysłowi. Hülsmeier żył do 1957 roku, opatentował 180 wynalazków, ale nigdy nie wrócił do swojej pierwszej pracy. Kiedy jednak po II wojnie światowej cały świat przekonał się o możliwościach radaru, Hülsmeyer został uznany w swojej ojczyźnie za wybitnego wynalazcę.
Oczywiście jest teraz jasne, że nikt nie mógł zbudować prawdziwego radaru opartego na technologii radiowej pierwszej generacji opartej na generatorach iskier i koherentach lub detektorach magnetycznych. Hülsmeyer miał genialny pomysł, ale bez potężnej elektroniki próżniowej (a później półprzewodnikowej) niewiele obiecywał - niemieccy eksperci od marynarki wojennej nie mylili się w tym. Potomkom pozostało już tylko jego urządzenie, obecnie eksponowane w Deutsches Museum w Monachium.
Za granicą
Jesienią 1922 roku Albert Hoyt Taylor i Leo Young z Airborne Radio Engineering Laboratory amerykańskiej marynarki wojennej wykryli za pomocą fal radiowych drewniany statek przepływający przez Potomac. Po jednej stronie znajdował się nadajnik z anteną, która w sposób ciągły emitowała fale o długości 5 m, a po przeciwnej stronie znajdował się odbiornik. Gdy statek znajdował się między przyrządami, antena odbiorcza odbierała dwa sygnały - bezpośredni i odbity. W wyniku interferencji modulowano amplitudę promieniowania początkowego, a interferencja nakładała się na równomierny ton odbieranego sygnału. Podobnie jak instrument Hülsmeiera, nie był to lokalizator, a jedynie detektor.
Taylor i Young złożyli wniosek o kontynuowanie pracy, ale nie zostali zatwierdzeni. Rok później Taylor został szefem działu radiowego nowo utworzonego Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej (NRL) i miał do czynienia z zupełnie innymi projektami. Jednak latem 1930 jego asystent Lawrence Hyland odkrył, że samoloty można wykryć za pomocą fal radiowych. Stało się to dzięki łutowi szczęścia: między antenami nadajnika i odbiornika znajdowało się lotnisko. To wtedy Taylor przekonał swoich przełożonych o potrzebie pracy nad detektorami zakłóceń. NRL pracowało nad tymi urządzeniami przez trzy lata, a następnie (ze względu na wyraźną awarię) przystąpiło do tworzenia prawdziwych radarów, które odbierają impulsy radiowe odbite od obiektu. Stworzony pod kierownictwem Roberta Page'a pierwszy eksperymentalny radar impulsowy został przetestowany dopiero w 1936 roku. W czerwcu złapał samolot z odległości 40 km.
W 1917 roku wielki Nikola Tesla, w wywiadzie opublikowanym w cenionym czasopiśmie The Electrical Experimenter, w sumie całkiem poprawnie sformułował zasadę działania radaru i konkretnie zauważył, że metoda ta pozwoli na śledzenie pozycji i prędkości poruszających się obiektów. Co prawda Tesla uważał, że użycie fal stojących jest bardziej obiecujące (w tym się mylił), ale pozwolił też na użycie impulsów radiowych. On sam nie działał w tym kierunku, ale po wielu latach jego pomysł znalazł kontynuatora w osobie francuskiego inżyniera radia Emile Girardota, który w 1934 roku opatentował urządzenie do radaru. Rok później zainstalował swoje urządzenie na Normandii, największym ówczesnym liniowcu transatlantyckim. W 1939 roku grupa Girardota zainstalowała pierwszą powietrzną stację radarową we Francji, która ostrzegała paryskie siły obrony powietrznej przed niemieckimi nalotami. W czerwcu 1940 roku, tuż przed upadkiem Paryża, Francuzi zniszczyli swój sprzęt, aby nie wpadł w ręce wroga. Na zdjęciu antena pierwszego amerykańskiego radaru seryjnego SCR-268 o zasięgu wykrywania 35 km.
W kolejnych latach rozwój sprzętu radiolokacyjnego w Stanach Zjednoczonych znacznie przyspieszył, ale służbę operacyjną przejął dopiero po wybuchu II wojny światowej: na okrętach wojennych w 1940 r., na lądowych posterunkach obrony przeciwlotniczej – od zimy 1941 r. Właśnie wtedy wojsko USA wymyśliło słowo „radar”, było to skrótem od RADIO Detection And Ranging (wykrywanie i szacowanie zasięgu za pomocą radia).
Niemieckie osiągnięcia
Wśród pionierów radaru jest wielu niemieckich naukowców. Szczególne miejsce zajmuje genialny inżynier radiowy i wynalazca Hans Erik Holmann, który ma ponad 300 patentów. W 1935 opatentował magnetron z wieloma wnękami, zdolny do generowania silnego promieniowania o zasięgu centymetrowym.
Prostsze wersje magnetronu zostały opracowane w latach dwudziestych XX wieku w kilku krajach, w tym w ZSRR, przez radiofizyków z Charkowa Słuckina i Steinberga. Ale Holmann nie był w stanie ustabilizować częstotliwości promieniowania, więc Niemcy w późnych latach 1920. woleli bardziej stabilne, choć słabsze klistrony.
W Niemczech przeprowadzono również pierwsze eksperymenty mające na celu stworzenie wojskowych radarów pulsacyjnych. Zostały zapoczątkowane w 1933 roku przez fizyka Rudolfa Kuhnholda, dyrektora naukowego Instytutu Technologii Komunikacyjnych Niemieckiej Marynarki Wojennej. Pracował z centymetrowymi falami radiowymi, a jako ich źródło użył wynalezionej w 1920 roku triody Barkhausen-Kurtz, która dawała promieniowanie o mocy zaledwie 0,1 W. Już we wrześniu 1935 roku Kunhold zademonstrował głównodowodzącemu marynarki admirałowi Erichowi Raederowi doskonale działające urządzenie radarowe z wyświetlaczem na wiązce katodowej. Pod koniec lat 1930. na jej podstawie powstały w Rzeszy operacyjne radary - Seetakt dla floty i Freya dla obrony przeciwlotniczej. Nieco później niemieccy inżynierowie zaprojektowali radarowy system kierowania ogniem Würzburg, którego pierwsze próbki weszły do armii i lotnictwa w 1940 roku.
Tak więc niemieccy twórcy radarów mogli pochwalić się znaczną liczbą osiągnięć technicznych. Jednak Niemcy zaczęli ich używać później niż Brytyjczycy – choć nie z winy inżynierów. Początkowo Hitler i jego świta wierzyli w blitzkrieg, a radar był uważany głównie za narzędzie obronne. Lokalizatory systemu Freya przewyższały nawet brytyjskie radary pod wieloma parametrami, ale na początku wojny Niemcy mieli tylko 8 takich stacji, a podczas bitwy o Anglię nie mogli w pełni śledzić poczynań brytyjskiego lotnictwa. Od 1934 r. radar znalazł się również w ZSRR. Niemniej jednak na początku wojny z Niemcami sowiecka armia praktycznie nie miała naziemnych radarów obrony przeciwlotniczej i dopiero w 1942 r. zaczęła testować radary lotnicze serii Gneiss.
promienie śmierci
W 1935 r. w Niemczech, USA, ZSRR i Francji nastąpił już poważny rozwój radarów. Wielka Brytania nie miała nic godnego. Niemniej jednak, mając opóźnienie na starcie, Brytyjczycy wyprzedzili wszystkich na mecie.
Latem 1934 r. w Anglii odbyły się manewry lotnicze, które pokazały, że kraj nie dysponuje skutecznymi metodami obrony przed bombowcami wroga. Wtedy właśnie Ministerstwo Lotnictwa przypomniało sobie o otrzymywanych okresowo wnioskach o stworzenie urządzeń do generowania promieni, które byłyby śmiertelne dla załogi atakującego samolotu. Urzędnicy obiecali premię w wysokości 1000 funtów każdemu, kto potrafi zaprojektować urządzenie, które może zabić owcę promieniowaniem z odległości 100 metrów. Pasje podsycała gazeta New York Sun, która poinformowała świat, że Nikola Tesla wynalazł urządzenie zdolne do zestrzelenia 10 000 samolotów bojowych z odległości 250 mil. Najciekawsze jest to, że nie była to fantazja dziennikarzy: Tesla naprawdę wydał tak śmieszną zapowiedź, co zapewne należy przypisać temu, że wielki wynalazca miał już mniej niż 80 lat.
Brytyjczycy rozpoczęli prace nad radarem zaledwie cztery lata przed wybuchem działań wojennych. Jednocześnie zaczęli od zupełnie fantastycznego projektu, który nie miał najmniejszych szans na realizację. Mieli jednak wgląd, aby zobaczyć w nim racjonalne ziarno, które wykiełkowało w pierwszy na świecie krajowy system ochrony radarowej. Przy dobrej pogodzie stacje radarowe Chain Home wykryły niemieckie eskadry na niebie nad Francją 20 minut przed ich pojawieniem się. W tych okolicznościach miało to ogromne znaczenie.
Dyrektor Departamentu Badań Ministerstwa Lotnictwa, Henry Vimperis, nie wierzył w te bzdury, ale mimo to w styczniu 1935 roku zwrócił się do kierownika departamentu radiowego Narodowego Laboratorium Fizycznego, Roberta Watsona-Watta (nawiasem mówiąc, bezpośredniego potomka wynalazcy silnika parowego Jamesa Watta), aby pomyśleć o emiterze fal elektromagnetycznych, które oddziałują na człowieka w odległości kilku kilometrów. Wątpił, czy jest to możliwe, ale obiecał przyjrzeć się problemowi i polecił swojemu pracownikowi Arnoldowi Wilkinsowi wykonanie niezbędnych obliczeń. Wilkins potwierdził wnioski wodza, ale na tym nie poprzestał. Jak wielu inżynierów radiowych wiedział, że latające samoloty zakłócają krótkofalowe sygnały radiowe. Wilkins zastanawiał się, czy możliwe jest złapanie fal radiowych odbitych od kadłuba samolotu i ku swemu dużemu zdziwieniu otrzymał pozytywną odpowiedź, o czym Watson-Watt poinformował przełożonych. Zareagował z niezwykłą dla angielskiej biurokracji szybkością i nakazał natychmiastowe przetestowanie pomysłu w praktyce.
Jak Wielka Brytania stała się wyspą
Wilkins nie miał czasu na wykonanie dobrego generatora impulsów radiowych i zdołał jedynie złożyć odbiornik podłączony do lampy katodowej w określonym czasie. Źródłem sygnałów był kompleks antenowy BBC w Daventry, który nadawał na falach 49-metrowych, które były emitowane w wiązce o szerokości kątowej 30°. Podczas testów sygnały radiowe odbijały się od dwusilnikowego dwupłatowego bombowca Hayford, krążącego na wysokości 3 kilometrów. Był to detektor zakłóceń radiowych, podobny do tego, co kilka lat wcześniej zrobili Amerykanie. 26 lutego 1935 roku zauważył samolot z odległości 8 mil (około 13 km), a Watson-Watt wypowiedział zdanie, które przeszło do historii: „Wielka Brytania znów stała się wyspą!”
Reszta była kwestią technologii i finansowania. Już w maju Brytyjczycy zbudowali na wybrzeżu Morza Północnego tajne laboratorium, w którym kalibrowano i testowano prawdziwy pulsacyjny sprzęt radarowy. 17 czerwca Watson-Watt, Wilkins i Edward Bowen, którzy dołączyli do ich zespołu, korzystając z nowych przyrządów, złapali lecący 27 km hydroplan i podczas dalszych testów zwiększyli promień lokalizacji do 65 km. We wrześniu rząd brytyjski dał zielone światło dla rozmieszczenia pierwszych pięciu stacji sieci radarowej, a w grudniu Skarb Państwa przeznaczył na to 60 tys. A 000 sierpnia 1936 r. Brytyjczycy pomyślnie przetestowali radar pokładowy do śledzenia celów morskich, zaprojektowany przez Bowena.
Na początku 1937 roku brytyjska obrona powietrzna miała siedem stacji radarowych na południowo-wschodnim wybrzeżu. We wrześniu posty te przeszły w tryb całodobowy. Przed wybuchem II wojny światowej Brytyjczycy mieli już 20 stacji zintegrowanych w jedną sieć, która blokowała dostęp do Wysp Brytyjskich z Niemiec, Holandii i Belgii. W ten sposób pozornie niemożliwe generowanie promieni śmierci przekształciło się w rozwój, który pomógł Wielkiej Brytanii przetrwać pierwsze krytyczne miesiące niemieckiego bombardowania.